Untersuchungen und aerodynamische Bewertung einer speziellen Hitzdrahtmesstechnik zur Analyse von Zuströmturbulenzen für zukünftige Turbinenkonzepte

Kurzfassung

Wasserstoffbetriebene Triebwerke führen zu signifikanten Veränderungen der aerodynamischen und thermischen Bedingungen in den Heißgaskomponenten von Brennkammer und Turbine. Im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms TeTeAnt-H2 wird die Hitzdrahtmesstechnik gezielt für diese Bedingungen, insbesondere zur präzisen Erfassung der Turbulenz, weiterentwickelt. Die vorliegende Arbeit präsentiert erste Messergebnisse mit den hierfür identifizierten Sensormaterialien Rhodium und Iridium, wobei die Auswirkungen von Strömungstemperaturen, Druckbedingungen und Mach-Zahlen auf die Kalibrierung der Sonden untersucht werden. Ziel ist es, die Funktionsweise und das Potenzial dieser Sensoren für den Hochtemperatureinsatz im DLR Turbinenprüfstand zu bewerten. Zur Untersuchung der Temperatur- und Druckabhängigkeit kamen zwei Windkanäle zum Einsatz. Stationäre Messungen bei variierender Strömungstemperatur zwischen 20 °C und 60 °C zeigten, dass die Sensortemperatur der Haupteinflussfaktor auf die Nu Re Korrelation ist. Es wurde postuliert, dass die tatsächliche Heißdrahttemperatur unter der angenommenen Temperatur liegt. Hierzu wurden Korrekturfaktoren ermittelt, die dieser Problematik Rechnung tragen. Unter variierenden Druckbedingungen (ps = konst., pt = konst.) konnte eine Druckunabhängigkeit der Nu Re Korrelation für alle Untersuchungsdrücke bis 115 kPa nachgewiesen werden, was erstmals die Gültigkeit der Kalibrierung bei unterschiedlichen Bedingungen zur In-Rig-Messung bestätigt. Für niedrige Drücke unterhalb von 40 kPa ist ein signifikanter Einfluss der Dichte respektive der Reynolds-Zahl zu vermuten, der keine vollständige Approximation zulässt. Die Hochtemperatursensoren aus Rhodium und Iridium haben sich erfolgreich für Turbulenzmessungen unter Turbinenbedingungen qualifiziert. Aufgrund der ermittelten Festigkeitsgrenzen zeigt Iridium, bei einem Durchmesser von 12,5 µm eine bessere Eignung für hohe Unterschallmachzahlen (Ma = 0,9) im Vergleich zu Rhodium (Ma = 0,3) mit einem Durchmesser von 10 µm bzw. (Ma = 0,7) mit einem Durchmesser von 13 µm. Daher wird Iridium als bevorzugtes Sensormaterial für anspruchsvolle Turbulenzmessungen empfohlen.